EKC 104 - KIMIA FIZIKAL APRIL 1995.

TINIVERSITI

SAINS

MALAYSIA

k-J.r-

Peperiksaan Semester :Bcdasa Sidang Akademik 1994195

April

1995

EKC ro4 - KrMIAITWKAL

Masa:

_[3

jam]

ARAHAN KEPADA CALON:

Sila pastikan kertas soalan ini mengandungi

SEPULUH

⁽¹⁰⁾ muka surat bercetak sebelum anda memulakan peperiksaan ini.

Kertas inimengandungi

LIMA (5)

soalan.

Jawab mana-mana

EMP.{ (4) soalan.

_.{,{

Soalan

No. I MESTI dijawab

dalam Bahasa

Malaysia. Anda'dibolehkan

^menjawab soalan-soalan lain dalam Bahasa Inggeris.

Soalan terjemahan Bahasa Inggeris ditaip dalam bentuk tulisan ltalic.

Iil;

..21-

IEKC l04l

-2-

l. Wynkoop dan Wilhelm telah mengkaji kadar

penghidrogenan

etilena

dengan menggunakan mangkin tembaga-magnesium oksida dengan tekanan yang _terhad dan

julat rencaman. Data

mereka boleh ditafsirkan dengan menggunakan kadar ungkapan tertib pertama dalam bentuk:

Wlnkoop and Wilhelm

studied

the nte of hydrcgenation of ethylene,

using a

copper-magnesium oxide catalyst, over resticted pressure and

composition

ranges.

Their data may

be

interpreted with

a

first-order

nte

expresslon

of

the form:

r

= (kr)oPq (A)

dimana

r

adalatr kadar tindakbalas, dalam gmoU(

cm';1s;,

dan PH, ialah tekanan setara

hidrogen dalam atmosfera.

Dengan persamaan

kadar ini (kr)p

^boleh

dilaporkan dalam gmoU(cm3)(s)(atm).

Jawapan

untuk (kr)p pada suhu

yang berbeza diberikan di dalamJadual ^1.

where r

is fhe

'rite

of

reaction, in

g

mot/(cms)$),

and Psris ffre

^{paftiat pt€ssute}

of

hydrogen,

in atmospfieres.

With

this nte

equation

(kip

will

be

reported

in

^g

mol/(cm')(s)(atm). The

rcsults

for (klo at vaious tempenturcs

ane

given

in Table L

laI Apakah tenaga pengaktifan dari

persamaan

(A)

dengan menggunakan kaedah grafik?

What

is fhe actlvatlon energy from

^,ra'te

equation (A) using gnphical

method?

Apakah yang

akan

terjadi jika kadar

persamaan

ini

diungkapkan dalam sebutan kepekatan hidrogen daripada dalam sebutan tekanan separa.

Nilai

untuk R

=

1.985 kcal/kmol.K

What would it be if the nte equation werc

^exprcssed

in ferms of the concentntion

of hydrogen

ntherthan

the

paftial

prcssure?

Value of R

=

^1.985

kcalkmolK tbl

..3t-

-,n 2

-3

^-

Jsdual 1: Date untuk

penghidrogenan etilena Tahle

I Datafor

hydrogenation

of

ethylene

IEKC

¹⁰⁴¹

(25 markah)

3 3

Run (kr)o x

l0'

s moV(si(atmXcm3)

r ec)

^{l/T x}

l0'

K-r

I

^{2.70 77 2.86}

2 2.87 77

2,K

3 1.48 63.5 2.97

4 0,71 53.3 3.06

)

0.66 53.3 3.06

6 2.44 77.6 2.85

7 2.40 77.6 2.85

8 1.26 77.6 2.85

9 0.72 52.9 3.07

t0 0.70 52.9 3.07

ll

^{2.40 77.6 2.85}

t2 ^{1.42 62.1 2.98}

t3 0.69 53.7 3.06

t4 ^{0.68 53.7 3.06}

l5 3.03 79.5 2.83

t6 3.06 79.5 2.83

t7 l.3

l

64.0 2,91

l8 t.37 64.0 2.97

l9

^{0.70 54.5 3.05}

20 0.146 39.2 3.20

2l

0.159 38.3 3.2r

22 0.260 49.4 3.

l0

23 0.322 40.2 ^3. l9

24 o.323 40.2 3.19

25 0.283 40.2 3.19

26 0.284 40.2 3.19

27 0.217 39.7 3.20

28 0.318 40.2 ^3.

l9

29 0.323 40.2 3.

l9

30 0326 40.2 ^3. 19

31 0.312 39.9 ^{3. 19}

32 0.314 39.9 3. l9

33 0.307 39.8 3,19

..41-

lal

2

IEKC r04l

-4-

Satu kmol gas unggul dengan

y : L4

dimampatkan berbalik dan adiabatik dari 100kPa dan 300K kepada 500kPa dan kemudiannya ia disejukkan pada tekanan

malar ke

suhu

asal.

^Gas

itu

kemudiannya kembali

ke

tekanan mulanya

iaitu pada

100

kPa

dengan melalui proses

berbalik dan

sesuhu (isotermal).

Hitungkan

saling

tindak

haba

dan kerja untuk

setiap

proses.

Tentukan yang

nilai

kerja terlaku oleh gas dan nilai tenaga yang dipindahkan sebagai haba kepada gas.

One kmal of an ideal gas with y = 1.4 is compressed

revercibly

and

adiabatically

from

100

kPa and

3A0K

b 500kPa and then is cooled at

constant pressur€

to the oiginaltempenturc.

The

gas

rs

then

restored to

the initialpressure of

100kPa by following

a

reversible

and

isothermal process.

Calculate the heat and

work intenctions

for each of the

processes.

A/so determine

the net

work done

by the

^gas

and the

net

eneryy tnnsbned

as heaf to

the

gas.

(15 markah)

(500kPa)

300K, lOOkPa

R = 8.314 kJ/kmol

K

II 4

..51-

IEKC lo4l

-5-

tbl

^Anda dikehendaki untuk merekabentuk ^sebuah tangki untuk menyimpan

l0 kmol

methana pada

6MPa

dan

300K.

^Tentukan sarz

tangki itu

^dengan

menggunakan:

/f is desired to

^design

a

tank

fo sfore

10

kmol

^methane

at 6 Mh and

300K.

Determine the size of the

tank

using:

lil

^{hukum Gas Unggul}

the idealgas

/aw

tii]

persamaan Van der Waals

Van

derWaals

equation

of

state.

Sifat-sifat genting methana (CH+) ialah:

Critical properties of methane (CHd:

T. =

199.6

K P":4.60

^MPa

Nilai

untuk

R:8.314 kJlkmol.K

Value of R ₌ 8.314 kJ/kmol

K

(10 markah)

3. tal Hitungkan perubahan piawai tenaga bebas Gibbs dan

^pemalar

keseimbangan pada

298.l5K

dan 0.1 MPa untuk tindak balas berikut:

Calcutate

the

standard

Grbbs frce eneryy change and the

equilibrium constant

at

298.15K and 0.1 MPa

forthe

reaction:

Nt(g)

⁺

3H2(g) -+

2NH3 (g)

(5 markah)

I

I

t_

IJ

..6t-

l

IEKC l04l

-6-

tbl

^Apakah

nilai

pemalar keseimbangan untuk tindakbalas

di

atas pada 400oC dan

0,1MPa. Buat

anggapan bahawa haba piawai untuk tindak balas AHo sebagai malar di dalam lingkungan

julat

_{suhu dari 25"C} kepada 400oC What rs

ffie

value of equilibrium constant of above

paction at 400t and

A.1

MPa. Assume that the standad

^heat

of

reaction

AH" is

constant in

the tempenturc nnge 25t

^to

400f.

(7 markah)

tcl Anggarkan

^perubahan

piawai tenaga bebas Gibbs, AG" dan

^pemalar

keseimbangan

K

pada 400oC

dan 0.1 MPa untuk tindak

balas

di

atas dengan menggunakan suhu sandaran daripada ^haba tindak balas.

Estimate the standard Grbbs frce eneryy change, AG" and

the

equilibium

constant

K at 400t and 0.1 MPa for the above

^reaction

using temperature dependence of the heat of rcactian.

(10 _markah)

tdl

^Bezakan

nilai K yang dihitung

dalam bahagian

(b) dan (c).

Adakah didapati yang nilai

K

tersebut sama atau tidak?

Compare the vatue of K calculated

from

^part (b) and

(c).

Do

you

find the value of

K

same

ordifferent?

(3 markatt)

..7/-

IEKC

^1o4l

-7

-

Data:

Keadaan

molal

muatan haba gas unggul pada tekanan malar N2,

H2

dan

NHr

diberikan oleh:

The idealgas sfafe

molal heat capacities

af

consfanf pressure

of

Nz, Hz and NHs arc given by:

ep"(Nr)

_{= (3.280+} 5g3xIO-3

nR

ep"

(H r)

⁼ (3.249 + 0.422x10-'

nR

Cp" (NH

r)

^{= (3.578} + 3.020110-'

7)R

Dimana

Cp"

ialah di dalam J/mol.K

R:8.314

J/mol.K dan

T

dalam

K

Wherc

ip' o

in J/mol.K

R

_{= 8.314} J/mol.K

andTinK

Haba piawai oleh pembentukkan dan tenaga bebas Gibbs oleh ammonia.

Sfandard heat of formation

and

Gibbs frce eneryy af ammonia:

M, ,* forNHr(g)

₌

-46.t I kI lmol

LG"rn for

NHr(g)

₌ ^{^16.45}

H

/

mol

4. Satu sel bahan api yang

menggabungkan

gas hidrogen tulen dan

oksigen menggunakan

satu elektrod

bermangkin

untuk

mengeluarkan

stim dan

tenaga

elektrik telah dirancang untuk digunakan dalam rancangan angkasa

kita.

Disebabkan

oleh tindak balas yang lengkap diantara Hz dan Oz, stim

yang dihasilkan semestinyalah

tulen. Kajian

permulaan menunjukkan

yang sel

akan berfungsi sebaiknya pafla suhu 540"C dan pada tekanan 700

kPa.

Tentukan nilai voltan berbalik sel ini.

..81-

IEKC lo4l

-8-

A fuel

cetl

that

combines

pure

gaseous hydrogen

and oxygen over a

catalytic etectrode to

produce

steam and

electicalenergy is

^planned

for

use in

our spare

prcgnm. decaute of complete rcaction between the Hz and Az the

^prcduct

steim is

essenfia

lly purc. tnitial sfudies indicate that the cell will opeate

satisfactorily

at a tempenturc af 54At

^and

a

^pressu/e

of

⁷⁰⁰

kPa.

^Determine

the

reversible voltage of this cell.

Untuk

tindak balas

Forthe

reaction

H" +7O,

I =

HrO

'2

At

250C

Keadaan piawai pertukaran tindakbalas tenaga ^bebas Gibbs:

Sfandarf slrrte

Gibbs free

eneqy

change

of

reaction:

AGo= -54,60A4

_gmot

Keadaan piawai pertukaran tindak balas entalpi:

Standard ^state enthalpy change

of

reaction:

LHo= -57,800:9+

_gmot

Dimana

^keadaan

piawai komponen

adalah

asli pada tekanan 1 atm'

^Dalam

lingkungan

julat

_suhu

yang

dikehendaki keupayaan haba purata

di

bawah boleh digunakan.

Where

the standad sfafes are purc

components

at I

^{afnr pressure}

' Aver

^the

temperature

6,nge

of

intercst the foltowing aver€tge heat capacities apply:

...91-

'ur 8

IEKC lo4l

-9-

(CP)..

_Hz

= - '''" zls-gL: gmol"

₁₇

(CP')or=t'ooffi

(CP)"^=e'25-J3!-

_H2o

- -'o"

gmol" K

Value ---

of -r R=1.g87 - ' gmol"K "al

Molar Faraday F

:

23,068 caUvolt equivalent Semua gas boleh dianggapkan berkelakuan unggul

Fanday

constant

F

₌ 23,068 calfuolt equivalent

A//gases

may

be

assumed to behave ideally.

(25 markah)

5. tal Dua kmol

^oksigen

500 kPa dan 300K

berada

di

^dalam sebuah kontena

tertebat yang

disambungkan melalui

injap ke

sebuah

lagi

kontena

(uga

tertebat) dipenuhi oleh 3

kmol

nitrogen pada 250kPa dan

400K.

Injap

itu

dibuka dan percampuran adiabatik

berlaku.

^Hitungkan pertukaran entropi untuk proses percampuran tersebut. Anggapk an y afig nitrogen dan oksigen sebagai gas unggul.

Two kmol of oxygen 500 kPa and

300K

is in an insulated conhiner which is connected through a valve to a second container

^(also

insutated) fitled with 3 kmot of nitrogen

at

250

kPa

and

400K.

The valve

is opened, and adiabatic mixino takes place. Calculate the entrcpv chanoe for

the mixing

process.

Consider

both nitrogen and oxpen

as rdeal gases.

I

I

L-

tf,

..10/-

IEKC lo4l

-10-

Data

Muatan Haba Purata

Avenge Heat

Capacities

(er)o,

_=21'17

H

^I kmot

K

(e)r,

=2o.86k1 / ^tonol

K

R = 8.314H / lonol

K

(13 markah)

tbl Entalpi dari bahan asli boleh dinyatakan sebagai fungsi dari

dua pembolehubah tak bersandar P,

v

dan

T.

Terbitkan hasil bezaan separa dari entalpi

di

dalam sebutan dari harta yang boleh dinilai

di

mana pengetahuan membolehkan

kita untuk

menganggarkan perubahan

di dalam

entalpi bersekutu dengan perubahan di dalam pembolehubah tak bersandar.

The enthatpy of a

purc

substance can be expressed as

a

function of

any 2 of the

independent variables

P, v and T. Deive the

^following

paftial

deivatives of enthalpy in terms of the measunble pnperties

whose knowtedge enables us

to

estimate the change

in

the enthalpy associafed

. with

_the change in the independent

vaiables.

( ah't

til \a,, ),

( an \

liil \n ),

( an \

[iii] l;)

(12 markah)

ooo0ooo

tto